吳旭琤

0 引言

維修仿真可以廣泛應(yīng)用于飛機(jī)壽命周期中,特別是在維修性設(shè)計(jì)中可有效分析可達(dá)性、人機(jī)功效等因素。由于飛機(jī)維修過程十分復(fù)雜，仿真往往需要耗費(fèi)大量的時間和人力。同時，維修仿真也需要隨著設(shè)計(jì)的修改相應(yīng)地修改，大大增加了仿真工作量，延長了設(shè)計(jì)周期，如洛克希德·馬丁公司在聯(lián)合打擊戰(zhàn)斗機(jī)(Joint Strike Fighter,JSF)項(xiàng)目中，對發(fā)動機(jī)和機(jī)翼外掛的拆裝仿真耗時長達(dá)9個月[1,2]。解決仿真中大量重復(fù)工作問題的最佳途徑是引入“重用”概念。

對于設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重用已有多年歷史，但對其進(jìn)行系統(tǒng)研究只是近十多年的事。美國弗吉尼亞理工大學(xué)的Anguswamy等對知識可重用性與產(chǎn)品復(fù)雜程度及重用設(shè)計(jì)原理之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，指出良好定義的界面，通俗易懂的元素具有更好的可重用性[3]；上海理工大學(xué)的Dongmin Zhang等研究了考慮產(chǎn)品壽命周期的設(shè)計(jì)流程知識管理，構(gòu)建了一個四層次設(shè)計(jì)流程知識重用框架，并建立了設(shè)計(jì)知識管理的原型系統(tǒng)[4]；南京航空航天大學(xué)的王體春等通過對知識的基元建模，建立了基于基元模型的方案設(shè)計(jì)可拓集合，解決基于知識重用的可拓方案設(shè)計(jì)問題[5]。

在設(shè)計(jì)重用過程中，根據(jù)其對象的不同，所采用的重用方法也有很大區(qū)別。本文針對飛機(jī)維修性分析時的維修仿真過程，在對虛擬人姿態(tài)與動作信息的特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種虛擬人的動姿重用方法以提高設(shè)計(jì)效率，并對實(shí)現(xiàn)動姿重用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究與實(shí)現(xiàn)，給出了動姿重用的流程。

1 面向維修性分析的設(shè)計(jì)重用

相似是設(shè)計(jì)重用的理論基礎(chǔ)，通過有效地組織和管理一切可重用資源，并充分利用和發(fā)揮這些資源，從而以最少的成本、知識和人工最大程度地滿足需求。在維修仿真中，通過重用已有的設(shè)計(jì)快捷有效地解決相同或相似問題，如重用同一或同類型號飛機(jī)中相同或相似維修對象的維修仿真，可以有效地提高產(chǎn)品維修性分析水平，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量[6]。

重用技術(shù)在不同領(lǐng)域具有不同的研究對象，對面向飛機(jī)維修性的設(shè)計(jì)重用進(jìn)行分析，將其中可重用的要素進(jìn)行分析并分為兩類，如圖1所示：

圖1 維修性分析中的設(shè)計(jì)重用對象

其中，維修任務(wù)定義的維修過程的流程及規(guī)劃，是一個動態(tài)的過程，由虛擬人的動作和姿態(tài)進(jìn)行描述。而拆裝路徑同樣可以虛擬人的動作確定。所以，重用中所考慮的核心部分為虛擬人動姿。

2 動姿重用方法

2.1 虛擬人動姿特點(diǎn)

作為重用的對象，虛擬人姿態(tài)和動作信息具有如下3個特點(diǎn)：

1)相對于模型形狀尺寸信息等幾何信息，動姿中包含的特征信息更復(fù)雜，須重用的特征為虛擬人各關(guān)節(jié)的姿態(tài)；

2)相對于知識、方法等抽象信息，虛擬人的動姿可歸為具體特征，無需建立特殊的模型表達(dá)；

3)虛擬人的動姿以人體模型為載體，可以考慮以人體模型為單位進(jìn)行整體或部分重用。

一般虛擬人模型描述，如圖2所示：

圖2 虛擬人模型描述

2.2 動姿分類及可重用性分析

要在飛機(jī)維修仿真中對虛擬人動姿進(jìn)行有效地重用，需要對其進(jìn)行系統(tǒng)、規(guī)范的分類。從相對順序和功能角度，對維修操作中虛擬人的姿態(tài)和動作進(jìn)行如下分類：

1）姿態(tài)：初始姿態(tài)、過渡姿態(tài)、關(guān)鍵姿態(tài)、局部姿態(tài)；

2）動作：接近動作、定位動作、操作動作、復(fù)位動作。

可重用性是指原資源（姿態(tài)、動作）在新環(huán)境下能夠再次應(yīng)用的能力。為了更好地重用，針對各類動姿的特點(diǎn)對其可重用性進(jìn)行如下分析：

姿態(tài)作為一種虛擬人的靜態(tài)特征，的可重用性分析如下：

1）初始姿態(tài)

初始姿態(tài)的重用是動作重用的前提。只有以初始姿態(tài)的絕對位置為起點(diǎn)，才能保證后續(xù)所有姿態(tài)位置的正確性。若待重用動作的絕對位置有所變化，在調(diào)出其對應(yīng)初始姿態(tài)后需首先調(diào)整初始姿態(tài)的位置，再進(jìn)行動作的重用。

2）過渡姿態(tài)

重用過渡姿態(tài)前需分析虛擬人前一刻和后一刻的狀態(tài)，選擇最適合的過渡姿態(tài)。自動生成的中間幀作為過渡姿態(tài)往往會發(fā)生干涉和穿越現(xiàn)象，重用過渡姿態(tài)使虛擬人前后動作顯得更加自然逼真，且能夠快速實(shí)現(xiàn)連貫動作和復(fù)雜動作的組合利用。

3）關(guān)鍵姿態(tài)

關(guān)鍵姿態(tài)的重用要視具體維修任務(wù)而定，因?yàn)椴煌瑮l件下的關(guān)鍵姿態(tài)各不相同。由于調(diào)整關(guān)鍵姿態(tài)所耗費(fèi)的時間極長，所以必須重視關(guān)鍵姿態(tài)的建立與重用。

4）局部姿態(tài)

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最有重用價值的是兩只手臂的局部姿態(tài)，其他部位重用的意義不大。

動作的可重用性分析如下：

1）接近動作

虛擬人在從初始位置到操作位置的過程往往是3類接近動作的組合，這樣的接近動作具有很高的重用價值。虛擬人需在移動過程中避開各種障礙物（飛機(jī)、工裝等）到達(dá)指定地點(diǎn)，所以接近動作的重用與虛擬環(huán)境的狀況密切相關(guān)，若不同環(huán)境中障礙物的分布相似，則較易實(shí)現(xiàn)重用，反之則較難實(shí)現(xiàn)。

2）定位動作

定位動作由接近動作結(jié)束后的姿態(tài)開始（多數(shù)情況下是直立姿態(tài)），根據(jù)維修對象的形狀、大小、位置等信息進(jìn)行準(zhǔn)備工作，其結(jié)束狀態(tài)為操作動作的初始狀態(tài)，是面向維修對象即將進(jìn)行操作的狀態(tài)。定位動作通常包含虛擬人調(diào)整姿態(tài)、虛擬人手部與操作對象的接觸、虛擬人對操作工具的抓取和移動等，是連貫接近動作和操作動作的重要動作。

3）操作動作

無工具操作時虛擬人徒手完成維修操作，如對維修對象的旋轉(zhuǎn)、平移等。其重用集中在人手與操作對象的約束關(guān)系、工裝設(shè)備帶動操作對象移動的軌跡和虛擬人跟隨軌跡的運(yùn)動。

有工具操作時虛擬人借助維修工具完成操作，如拆螺絲、擰螺母等。有工具操作相比無工具操作更為復(fù)雜，因?yàn)樾枰紤]虛擬人與工具間的約束問題。其重用集中在手部抓取工具進(jìn)行定位、手部帶動工具的操作等。

4）復(fù)位動作

復(fù)位動作所包含的約束信息相對較少，包括姿態(tài)的轉(zhuǎn)換和工具的歸位等，某些復(fù)位動作與定位動作相似，簡單情況下可將定位動作逆向使用即為相對應(yīng)的復(fù)位動作。

3 動姿重用的實(shí)現(xiàn)

在運(yùn)動仿真中，運(yùn)用逆運(yùn)動學(xué)生成虛擬人姿態(tài)和動作須考慮的約束包括：關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍限制、與虛擬對象和虛擬場景的穿透避免、運(yùn)動中的重心保持。為提高虛擬人姿態(tài)和動作的真實(shí)感，在實(shí)現(xiàn)動姿重用的同時，還需要解決其中一些關(guān)鍵問題，以滿足仿真需要。

3.1 動姿重用流程

如圖3所示：

圖3 虛擬人動姿重用流程

用于仿真重用的人體姿態(tài)和動作有兩個主要來源：1)已完成仿真中提取的可供重用的姿態(tài)和動作；2)另一部分是通過虛擬外設(shè)采集得到的姿態(tài)與動作信息。姿態(tài)與動作的重用既可以應(yīng)用于整個人體，也可應(yīng)用于部分肢體。例如，對于手動工具操作可重用的姿態(tài)與動作集中于手臂，此時強(qiáng)調(diào)手臂姿態(tài)與動作的重用。通常由虛擬外設(shè)采集到的信息主要應(yīng)用于人體的局部姿態(tài)與動作。

姿態(tài)與動作重用可以通過以下幾條途徑實(shí)現(xiàn)：姿態(tài)與動作庫、姿態(tài)與動作映像、工序與步驟的整體重用。其中前兩種方式的應(yīng)用更為普遍，將通過數(shù)據(jù)采集或已完成仿真中生成的虛擬人姿態(tài)與動作應(yīng)用于其他仿真流程或相同仿真流程中的類似操作。而對于工序與步驟的整體重用對重用條件的要求過高，應(yīng)用僅限于簡單重復(fù)動作，以及虛擬人模型與操作條件非常接近的情況。

在動姿重用之前首先判斷其是否可以直接重用。對于不能直接重用的姿態(tài)與動作，可通過手動方式或運(yùn)動學(xué)算法對姿態(tài)與動作進(jìn)行調(diào)整。此時利用運(yùn)動學(xué)方法的動姿調(diào)整相對于手動方式可以顯著提高重用的效率。

在重用時須調(diào)整虛擬人動姿情況發(fā)生的原因可總結(jié)為以下兩點(diǎn)：

1)人體尺寸發(fā)生改變后對原有的虛擬人姿態(tài)與動作的重用。在利用虛擬人進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)備的更換過程中，須考慮采用不同尺寸的虛擬人完成仿真與分析。從而使得分析結(jié)果適用于大部分維修人員，在采用不同尺寸的人體模型進(jìn)行操作時，可以利用動作重用，重用時須對該姿態(tài)或該動作的初始姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；

2)與儀器設(shè)備拆裝路徑相關(guān)的動作重用。當(dāng)拆裝設(shè)備的安裝位置與尺寸發(fā)生變化但變化不大時，而與其相聯(lián)系的拆裝路徑可以重用時，此時在重用原有拆裝動作時也需進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

重用時對于單個姿態(tài)須考慮的主要因素是該姿態(tài)在場景中的位置。而對于連續(xù)的動作，則須考慮該動作的初始或終止位置，以及完成該動作時與維修工具或?qū)ο箝g的約束。

3.2 重用時的動姿調(diào)整

在動姿重用時，大多情況下動姿并不能直接進(jìn)行重用。

考慮在重用時須調(diào)整動姿的情況，主要有以下幾種：

1)人體尺寸發(fā)生變化；

2)操作對象的尺寸或位置發(fā)生微調(diào)；

3)局部動姿。

考慮多目標(biāo)多約束的虛擬人動姿重用的廣義逆方法的計(jì)算結(jié)果，如圖4所示：

圖4 動姿重用中的逆運(yùn)動學(xué)計(jì)算調(diào)整

4a中描述了準(zhǔn)備重用的小尺寸虛擬人姿態(tài)，將其關(guān)節(jié)角度賦予大尺寸虛擬人的結(jié)果如4b所示。經(jīng)過姿態(tài)調(diào)整后的計(jì)算結(jié)果以及虛擬人的操作姿態(tài)分別4c與4d給出。

4 仿真實(shí)例與效果分析

完整的維修仿真與分析包含的內(nèi)容十分復(fù)雜，需要考慮人體與維修對象的變化范圍。以某型飛機(jī)L射頻前端維修任務(wù)為例，在仿真時，須利用5%，50%，95%3種尺寸的數(shù)字人體分別完成維修過程。另外，由于維修對象的外形與尺寸也可能發(fā)生變化，須考慮設(shè)計(jì)范圍內(nèi)最大與最小兩種尺寸的維修對象。調(diào)整后重用的姿態(tài)在計(jì)算工作量時乘0.5系數(shù)，而調(diào)整的動作重用只須調(diào)整其首姿態(tài)?？紤]流程與路徑，重用所花費(fèi)的時間按生成新姿態(tài)動作的30%計(jì)算。要完整的分析需要6個過程仿真。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)首個流程須生成的姿態(tài)數(shù)為342，總的動姿生成工作量為395個姿態(tài)。人體尺寸改變的重用流程中，調(diào)整姿態(tài)與動作的工作量相當(dāng)于生成50個新姿態(tài)，總工作量為108個姿態(tài)。在維修對象尺寸或位置改變的流程中，調(diào)整姿態(tài)與動作的工作量僅相當(dāng)于生成12個新姿態(tài)，總的動姿生成工作量為86。其中括號[]數(shù)字代表該類流程個數(shù)，括號()內(nèi)數(shù)字代表動作包含的姿態(tài)個數(shù)。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表1所示：

表1 L射頻前端維修仿真中對重用的統(tǒng)計(jì)

流程[4個](76)(215)對象尺寸改變流程[1個]1 4 213 31(198)8 8(93)6個仿真中的重用總數(shù)5 16 1139 140 55 140

采用重用后仿真中需要手動調(diào)整的總工作量僅為931個姿態(tài)，為不采用重用時的大約30%，因此，重用對仿真效率的提高意義非常明顯。

5 總結(jié)

本文研究了面向飛機(jī)虛擬維修仿真的設(shè)計(jì)重用技術(shù)，對虛擬人動姿進(jìn)行歸類并分析了其可重用性；通過動姿庫、已完成的仿真、虛擬外設(shè)等多個途徑實(shí)現(xiàn)了虛擬人的動姿重用，并采用逆運(yùn)動學(xué)算法對重用的動姿進(jìn)行調(diào)整。利用動姿重用技術(shù)，可以有效提高仿真效率，縮短研究周期。

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